Способ определения параметров спектра микроизгибов одномодового оптического волокна и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК я)5 6 02 ГОСУДАРСТВЕНЮЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) ПИСАНИЕ ИЗОБРЕ ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Северо-Западный заочный политехнический институт(72) Д,Д. Добровольский, Б,Ш, Ланде, В,И, Маккавеев и Н.Н, Путяшев56) 1. Бухтиаров Т,В. и др. Волоконно-оптические кабели для протяженных линий связи. Итоги науки и техники, Сер. Связь, М.: ВИНИТИ, 1988, т, 1, с. 3-66.2. ГОСТ 26814-86. Кабели оптические, Методы измерения параметров. с. 26-28, черт. 13.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СПЕКТРА МИКРОИЗГИБОВ ОДНОМОДОВОГО ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕ,501780075 А(57) Использование: волоконно-оптические линии связи. Сущность изобретения: с помощью лазеров 1 и 2 возбуждают поочередно оптическое волокно 5 на двух различных длинах волн А 1 и Л 2 с помощью измерителей 6 и 8 измеряют мощность оптического излучения соответственно на входе и выходе оптического волокна 5. Напряжения, пропорциональные этим мощностям, подают на входы. делителя 10, на выходе которого получают сигнал, пропорциональный затуханию у 1 и у 2 оптического сигнала в оптическом волокне на каждой из двух используемых длин волн. Для каждой из длин волн с помощью измерителя 9 измеряют радиусы ууо 1 и 9/о 2 пятна поля моды на выходе оптического волокна. На основе измеренных значений у 1, у 2 М/о 1 и И/о 2 рассчитывают параметры р и А спектра микроизгибов, 2 н,э,п.ф-лы, ил.Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при оценке передаточных характеристик оптического волокна (ОВ), о частности длл определения величины затухания как функции оптической длины волны,Известны средства (способы и устройства) опредаленил характеристик ОВ, например "Способ измеренил профиля показателя преломленил сердцевины волоконных световодоо" по авт.св, ч. 1430837, кл. 6 01 й 2 /41, согласно которому на испытуемое ОВ, помещенное о иммерсионную жидкость, направляют перпендикулярно его оси лазерный пучок и измеряют угол выхода пучка. Профиль показателя преломления ОВ находят путем расчета по нормированному распределению интенсивности принлтого оптического сигнала,Известны также способы определения параметроо спектра микроизгибов оптического волокна, которые в наибольшей степени определлют статистические характеристики профиля показателя преломленил ОВ, затухание, дисперсионные и другие характеристики ОВ как оптической линии связи.В процессе изготовления ОВ и оптических кабелей возникают неустранимые технологические микроизгибные деформации, приводящие к изменению основных параметров канализации оптической энергии (затухания, дисперсии). Величина затухания на разных длинах волн, как известно из теории, определяется коэффициентом межмодовой связи и функцией спектральной плотности микроизгибных деформаций, Микроиэгибные потери могут существенно превышать исходные потери в оптическом волокне и составлять величины до 20 дБ/км (Ватутин В.М., Вагин А.И. Волоконно-оптические системы в технике физического эксперимента. Приборы и техника эксг 1 еримента М 1, 1989, с, 13),Отсюда возникает необходимость в измерении параметров функции спектральной плотности микроизгибных деформаций,Установлено (смнапример, М. Агт 933 а, 6. Сорра, Р. Очта Иев апаузз о 1 глсгозепсп 9 овзез и зп 9 е-гпобе тзгез Еестгопс еиегз; 1966, чо, 22, р. 623 - 625), что спектр микроизгибов описыоаетсл выражениемФ (03) =Ай)где и = 2 л,- пространственная частота микроизгибов оси ОВ;10 15 20 25 30 35 40 50 55 Е - пространственный период микроизгибоо;Р - параметр, определяющий форму спектрального распределения микроизгибов;А - нормирующий коэффициент, характеризующий величину микроизгибов.В широкополосных линиях связи при большой скорости передачи информации (больше 500 Мбит/с) как правило испольэуют одномодовые ОВ, о которых о отличие от многомодовых ОВ отсутствует межмодовал дисперсил. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к залвллемому способу лвляетсл способ определения параметроо микроизгибоо одномодового ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления Щ.Способ заключается в том, что ОВ помещают в среду с регулируемым температурным режимом, Затем ОВ возбуждают оптическим излучением на длине 11 и на этой длине волны при различных значениях температуры измеряют коэффициент затуханил у 1. Поскольку зависимость затухания сигнала в. ОВ от температуры нелинейна, то для установления зависимости 11 от температуры требуются измерения затухания не менее, чем при трех значениях температуры. По измеренным при различных температурах Т значениям 1 строят график температурной зависимости у 1 Щ.Затем, используя аналитическое выражение связи микроизгибных потерь с температурой и параметрами спектра микроизгибов (в статье, описывающей способ-прототип, коэффициент затухания, характеризующий микроизгибные потери, обозначен О (дВ/км), формула 1,26) длл данного ОВ путем численного перебора значений параметров спектра подбирают такие их значения р и А, при которых рассчитанная зависимость потерь от температуры совпадает с измеренной, В расчетное выражение зависимости потерь от температуры (формула 1,26, см. описание прототипа) входит и значение радиуса В/о 1 пятна направляемой моды в ближней зоне поля, которое длл заданного ступенчатого профиля показателя преломления также рассчитывается.Недостатком способа-прототипа является большое времл, требуемое для получения параметров спектра микроиэгибоо, Часто это неприемлимо, особенно тогда, когда необходимо с помощью параметроо спектра определить затухание оптического кабеля в широком диапазоне частот или в10 20 25 двухслойного световода" авт.св. М 1293583, кл. 6 01 й 21/41 или "Устройство для определения потерь в волоконном све товоде" авт. св, М 1448323, кл, 0 02 В б/00; патент США йг 55 технологическом цикле производства оптического кабеля, когда требуется оперативное вмешательство в процесс производства по результатам измерения параметров спектра микроизгибов. Большое время определения параметров спектра микроиэгибов определяется в основном необходимостью измерения коэффициента затухания сигнала при нескольких температурах из заданного диапазона температур. Кроме того, способ-прототип имеет и невысокую точность получения параметров спектра микроизгибов. Поскольку получение параметра р, определяющего форму спектрального распределения микроизгибов, растянуто во времени из-за необходимости измерения затухания у 1 при нескольких температурах, изменение которых требует времени, то точность определения параметра р снижена не только в результате накопления погрешности из-за необходимости измерения различных значений затухания (при различных значениях температуры), но и из-за погрешности установки и измерения самой температуры, при которой производят измерение затухания оптического сигнала. Кроме того, при большом общем времени измерений может проявиться и временная нестабильность устройств измерительной установки (изменение коэффициента передачи приемо-передающего тракта), что также приводит к понижению точности измерения параметров спектра микроиэгибов,Другим недостатком способа-прототипа является неприменимость его к определению параметров спектра микроизгибов оптических кабелей линий связи, поскольку в условиях реальной трассы невозможно получить указанное изменение температуры на всей длине трассы.Известны и устройства для определения характеристик оптического волокна, определяющих его свойства как оптической линии связи, Смотри, например, "Устройство для измерения распределения показателя преломления по сечению сердечника 4187026, кл. 6 01 3 3/28, в котором также описано устройство для определения потерь в волоконном световоде.Но ближе всех по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является устройство для опреде 30 35 40 45 ления параметров спектра микроиэгибовРЗУстройство содержит источник излучения, работающий на длине волны излученияЛ 1 исследуемое ОВ, камеру внешних воэдействий, в частности, для изменения температурного режима работы ОВ и приемникоптического излучения для измерения выходной оптической мощности на выходе исследуемого ОВ при различныхтемпературах ОВ,Данное устройство по существу пригодно для определения параметров спектрамикроизгибов ОВ по описанному выше спо-собу-прототипу.Определение параметров спектра микроизгибов ОВ с помощью данного устройства занимает много времени, т.к, требуетизмерения оптической мощности на выходеОВ при значительном количестве точек издиапазона температур, в котором исследуются свойства ОВ,Кроме того, использование данного устройства для определения параметровспектра микроизгибов одномодового ОВ ограничено лишь ступенчатым профилем показателя преломления, для которогополучено аналитическое выражение для радиуса пятна направляемой моды в ближнейзоне поля, необходимое для определенияпараметров р и А спектра микроиэгибов.Цель изобретения состоит в сокращении времени получения параметров спектрамикроиэгибов.Поставленная цель достигается тем, чтов способе определения параметров спектрамикроизгибов одномодового оптическоговолокна, который описывается закономФ(3 )=А() где- пространственный период микроиэгибов, включающем возбуждение ОВ оптическим излучением на длине волны Я 1 измерение на этой длине волны коэффициента затухания у 1 оптического излучения, определение на этой длине волны радиуса И 01 пятна поля моды в ближней зоне поля и расчет параметров спектра с использованием полученных значений 1 и Ю 01, дополнительно до или после измерений на длине волны 1 1 возбуждают ОВ оптическим излучением на длине волны А 2, измеряют коэффициент затухания у 2 на длине волны А 2 диаметр Ио 1 пятна поля моды в ближней зоне определяют путем измерений, диаметр ЯОр пп 1 я моды в ближней зоне на длине волнл, г. ч такжеопределяют путем измерений, а параметрыр и А спектра рассчитывают по формулам1 2 к 2 И 02р2 к 1 ЧУ 012 ЬМ 1 ЧЧ 01к 2 О 02А =2 у 1.г(0 с 1,2 ЧЧ 01,2) 01,2%01,2) Р 3 . (3)где2 л,к 1=у -27 гкг = - -- волновые числа,Лгиндекс 1 в уравнении для А относится к Л 1 а индекс 2 - к Лг,Поставленная цель достигается также тем, что в устройство для определения параметров спектра микроизгибов, содержащее источник оптического излучения с рабочей длиной волны Л 1, исследуемое одномодовое ОВ и измеритель выходной оптической мощности, дополнительно введены источник оптического излучения с рабочей длиной волны Л 2 оптический объединитель, первый.и второй оптические делители мощности с одинаковыми коэффициентами деления, измеритель входной оптической мощности, измеритель радиуса пятна поля моды в ближней зоне, делитель напряжений и индикатор затухания, причем входы оптического объединителя оптически связаны с источниками оптического излучения, а выход оптического объединителя соединен с входом первого делителя оптической мощности, один иэ выходов которого подключен к входу ОВ, а другой к входу измерителя входной оптической мощности, выход ОВ подключен к входу второго делителя оптической мощности, выходы которого подключены соответственно к измерителю выходной оптической мощности и измерителю радиуса пятна поля моды в ближней зоне, а выходы измерителей входной и выходной оптической мощности подключены к соответствующим входам делителя напряжений, выход которого подключен к индикатору затухания.Предложенный способ основан на соотношениях для параметров р и А спектра, которые авторы заявки получили в результате анализа 21.В 2) показано, что величина затухания, вызванная микроизгибными деформациями, может быть представлена в виде (формула (10) в (2)= 5 й. й ( - ,),1 Й о где к - волновое число (1 = - ; - ) в обо 2 дпдлочке ОВ для длины оптической волны Л источника излучения;пб - показатель преломления в оболочке;Оо радиус пятна ОснОВной моды Впоперечном сечении ОВ для оптической длины Волны Л 1Ф(щ) - функция спектральной плотности микроизгибов в ОВ.Используя спектр микроизгибов в форме (1)20Ф(в) =Аварможно записатьУ,5 О/ оА(ИЭ ) (5)Рассматривая (5) для двух длин волн( Л 1 и Лг ), можно получить систему из двух уравненийС 30у 1 = 0,5 И 1 Ю о 1 А (К Ю 01) р (6) у 2 - 0,5 кг МУ 02 А (кгОУ 02) " (7)35 решая которую относительно А и р, приходим к системе уравнений (2) и (3).Получение значений радиуса Ю 01 полямоды в ближней зоне не расчетным путем, апутем измерений. а также получение путем10 измерений значений О/ог существенно расширяют область применения предлагаемого способа по сравнению соспособом-прототипом, который ограниченприменимостью к одномодовым ОВ лишь со45 ступенчатым профилем показателя преломлений, поскольку для ступенчатого профиляполучено относительно простое выражениедля ЮоВ случае ке других видов и рофиля пока 50 зателя преломления процедуры численногоопределения Юо сложны и требуют значительного времени, даже на больших ЭВМ,Коэффициент затухания уг на длиневолны Л 2 может быть определен как до,55 так и после измерений на длине волныЛ 1 важно только, чтобы измерения на обеихдлйнах волн оптического излучения проводились раздельно, 80075В качестве источников излучения целесообразнее всего использовать лазеры, т,е. источники излучения с узким спектром излучения, а равенство коэффициентов деления оптических делителей должно сохраняться при переходе с А 1 на Л 2.Измеритель радиуса пятна поля в ближней зоне необходим в устройстве, т,к. информация о размерах пятна направляемой моды поля на выходном торце ОВ является обязательной для реализации способа (уравнения (2) и (3,Наличие в устройстве делителя напряжений, на входы которого подаются напряженил, соответственно пропорциональные входной и выходной оптической мощности, существенно сокращает время и повышает точность определения коэффициентов затухания у 1 и у 2 и в конечном итоге параметров спектра микроиэгибов,Сравнение отличительных признаков заявляемых технических решений с тождественными признаками известных технических решений показало, что предлагаемые решения соответствуют критерию "Существенные отличия", т.к, не было выявлено у известных решений признаков или сочетания признаков. тождественных отличительным признакам заявляемых объектов, сообщающих объектам (способу и устройству) такие же свойства.На чертеже представлена структурная схема устройства для определения параметров спектра микроиэгибов.Устройство содержит два.лазера 1 и 2, работающих соответственно на длинах волн оптического излучения А 1 и А 2 лазеры подключены к входам оптического объединителя 3 и могут поочередно включаться, Выход оптического объединителя 3 подключен к входу первого делителя 4 оптической мощности, один из выходов которого соединен с входом оптического волокна (ОВ) 5, а другой выход подключен к входу измерителя 6 входной оптической мощности, Выход ОВ 5 соединен с входом второгоделителя 7 оптической мощности, выходы которого подключены соответственно к измерителю 8 выходной оптической мощности и к измерителю 9 интенсивности излучения в ближней зоне, Выходы измерителей 6 и 8 подключены к входам делителя 10 напряжений, выход которого подключен к индикатору 11, с которого снимается информация о коэффициентах затухания у 1 и у 2 сигнала в ОВ 5.В качестве лазерных источников 1 и 2 излучения могут быть использованы полупроводниковые инжекционные лазеры илитвердотельные лазеры, например. на алюмоитриевом гранате, легированном активными ионами неодима, Эти лазеры обеспечивают работу в одномодовом режиме,Перспективными для реализации предлагаемого устройства могут явиться разрабатываемые новые когерентные параметрические источники излучения на основе новых кристаллических органиче 510 волн, С использованием такого материала уже создан когерентный параметрический источник излучения с перестройкой в диапазоне длин волн от 0,75 до 1,6 мкм ("Электроника", М 10, 1986, с. 16 - 17(3),Использование таких лазеров в заявляемом устройстве целесообразно, поскольку с их помощью можно обеспечить выбор частот для наилучшего согласования оптического тракта.Оптический обьединитель 3 - известное устройство. как и делители 4 и 7 оптической мощности, построенные. например, на основе одномодового направленного ответви 20 25 30 теля с регулируемым коэффициентом связи (см,(1) с. 18-19). благодаря укаэанной регулировке коэффициента связи можно обеспечить максимальную идентичность ответвления оптического излучения к измерителям 6 и 8 оптической мощности,В качестве измерителей входной 6 и выходной 8 оптической мощности могут быть использованы известные полупроводниковые фотоприемники, преобразующие оптическую мощность в пропорциональное ей напряжение. Известно, что промышленностью освоены различные фотоприемники и схемы их включения в электрический тракт в широком спектральном диапазоне (см. 1. с. 27 - 29).Делитель 10 напряжений может быть выполнен на основе аналоговых интегральных схем (Алексенко А,Г. и др. Применение 45 прецизионных аналоговых микросхем. М,; Радио и Связь, 1985. с. 108 - 115), напряжечие с делителя подается на индикатор 11 50(например, стрелочный, отградуированный в единицах затухания),В качестве измерителя 9 радиуса пятна поля моды в ближней зоне используется без каких-либо изменений регистрирующее ус 55 тройство измерителя интенсивности излучения в ближней зоне (ГОСТ 26814-86, Кабели оптические. Методы измерения параметров, с. 29, черт, 14 (5, представляюских материалов, обладающих нелинейными свойствами и имеющих прозрачность в диапазоне длин волн 0,5 - 2 мкм. Характеристики этих материалов можно тонко под-.15 страивать в требуемом диапазоне длин1780075 5 10 20 25 30 40 45 50 55 щее собой сопряженный с выходом ОВ телевизионный микроскоп с монитором (на чертеже внутренняя структура измерителя 9 не раскрыта. Она полностью соответствует блоку 6 в 5. Распределение интенсивности поля по торцу ОВ наблюдается на экране видеомонитора этого регистрирующего устройства и радиус пятна поля моды может быть измерен непосредственно на экране, т,к, масштаб изображения, определенный с помощью тестообъекта, известен.Предлагаемый способ определения параметров спектра микроизгибов одномодового оптического волокна осуществляют с помощью заявляемого устройства следующим образом.Включают лазер 1, работающий на длине волны Л 1 . Оптический сигнал через оптически й объединитель 3 поступает на вход первого делителя 4 оптической мощности и в нем разветвляется в соответствии с заданным коэффициентом деления. Основная часть мощности проходит в ОВ 5, а другая ее часть поступает на измеритель 6 входной оптической мощности. В этом измерителе оптическая мощность преобразуется в пропорциональное ей напряжение, Оптическая мощность на выходе ОВ также разветвляется с помощью делителя 7 с таким же коэффициентом деления, как и у делителя 4. Часть мощности поступает на вход измерителя 9 радиуса пятна поля моды в ближней зоне, а другая часть поступает на вход измерителя выходной оптической мощности, где преобразуется в пропорциональное ей напряжение.Сигналы с выходов измерителей 6 и 8 оптической мощности поступают на делитель 10 напряжений, с которого снимается сигнал у 1пропорциональный отношению оптической мощности на входе ОВ к оптической мощности на его выходе, который поступает на индикатор 11. На экране монитора измерителя 9 измеряют радиус ЧЧо 1 пятна моды на выходном торце ОВ для длины волны Л 1.Затем лазер 1 выключают и включают лазер 2, работающий на длине волны Л 2.Аналогично получают значения у 2 и в/о 2 на длине волны Л 2,Измеренные значения у 1 у 2,Юо 1 и Юо используют далее для расчета параметров р и А спектра микроизгибов по формулам (2) и (3).Технический эффект от предлагаемых средств (способа и устройства) состоит в существенном сокращении времени получения параметров спектра микроизгибов. В результате оказывается возможным оперативно получить информацию о затухании сигнала в оптическом кабеле в широком диапазоне длин волн. Суть технического эффекта в том, что вместо прямых измерений затухания на каждой частоте из полосы рабочих частот оптического кабеля, что занимало бы много времени и приводило бы в силу этого еще и к снижению точности, измерения затухания проводят лишь на двух частотах, что в совокупности с измерениями на этих частотах размеров пятна направляемой моды в ближнем поле оказывается достаточным для определения параметров р и А спектра микроизгибов, а значение этих параметров спектра позволяет простым расчетом быстро определить затухание у на любой частоте (формула (5.Определение параметров р и А спектра микроизгибов по способу-прототипу (методом изменения температуры оптического кабеля) требует слишком много времени, аточность его невысока. В определенной степени точность предлагаемого способа, реализуемого с помощью и редлагаемого устройства,повышена за счет исключения влияния колебаний мощности источника оптического изпучения, т.е, при изменениях мощности источника она в одинаковое число раз изменяется как на входе, так и на выходе ОВ, а измерения мощности на входе и выходе ОВ производятся одновременно.Оперативное определение затухания сигнала в оптическом кабеле в широком спектре частот не единственное практическое приложение параметров спектра микроизгибов. Оперативное определение параметров спектра р и А микроизгибов важно в процессе эксплуатации оптического кабеля, чтобы контролировать его передаточные характеристики, как уже существующей линии связи. Кроме этого возможно важен даже текущий контроль за параметрами спектра микроизгибов в технологическом производстве оптического кабеля, когда возможно вмешательство в технологический режим его изготовления.Само описание спектра микроизгибов в форме (1) предполагает различную степень связи параметров спектра микроизгибов с параметрами технологического цикла изготовления оптического кабеля, особенно такого технологического цикла, в котором образование микроизгибов является функцией большого числа технологических параметров. Например, технологический цикл скрутки оптических волокон предполагает выбор режима частоты вращения крутильного фонаря, выбор направления вращения,, Составитель Н.Богданов Техред М.Моргентал Корректор И,Муска Редактор Заказ 4436 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 раздельную регулировку натяжения волокон для каждой катушки с волокном, изменение угла скрутки, шага и т,д. Каждый из этих технологических параметров в разной степени влияет на изменение параметров р и А спектра микроизгибов и при установлении этой связи целенаправленное изменение технологических параметров при контроле параметров спектра р и А может быть использовано для корректировки передаточных характеристик оптического кабеля в процессе изготовления.Формула изобретения 1. Способ определения параметров спектра микроиэгибов одномодового оптического волокна, включающий возбуждение оптического волокна излучением, измерение коэффициента затухания оптического волокна, определение радиуса пятна поля моды о ближней зоне на выходе оптического волокна и определение параметров р и А спектра, описываемого законом Ф 1.) =А(2 л 1. ) р, где 1:пространственный период микроизгибов, по коэффициенту затухания и радиусу пятна поля моды о ближней зоне на выходе оптического волокна, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью сокращения времени Определения параметров спектра, оптическое волокно последовательно возбуждают излучением двух длин волн Л 1 и Лг измеряют коэффициенты затухания оптйческого волокна у 1 и уг и радиусы пятна поля моды в ближней зоне Юо 1 и Яог на этих длинах волн соответственно, а параметры р и А спектра определяют по формуле 10 15 20 25 30 35 40 2. Устройство для определения параметров спектра микроизгибов одномодового оптического волокна, содержащее источник оптического излучения с рабочей длиной волны Л 1 и измеритель выходной оптической мощности, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью сокращения времени определения параметров спектра, в него дополнительно введены источник оптического излучения с рабочей длиной волны Л 2 оптический объединитель, первый и второй делители . оптической мощности с одинаковыми коэффициентами деления мощности, измеритель входной оптической мощности, измеритель радиуса пятна поля моды в ближней зоне. делитель напряжений и индикатор, причем входы оптического объединителя оптически связаны с источниками оптического излучения, а выход оптического объединителя соединен с входом первого делителя оптической мощности, один выход которого подключен к входному торцу исследуемого оптического волокна, а второй выход подключен к входу измерителя входной мощности, вход второго делителя оптической мощности соединен с выходным торцом исследуемого волокна, первый и второй выходы второго делителя оптической мощности подключены соответственно к входу измерителя выходной мощности и.к измерителю радиуса пятна поля моды в ближней зоне, а выходы измерителей входной и выходной оптической мощности подключены к соответствующим входам делителя напряжений, выход которого подключен к индикатору,